基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计
发布时间：2010-8-16 15:56
发布者：lavida
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无线传感器网络是由大量随机部署在被监测区域内的节点通过自组织方式构成，广泛应用于军事与民防、环境生态观测、医疗护理、智能建筑等领域。传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它是由传感器、处理器、无线收发和能量供应四个模块组成。无线传感器网络则是由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成，因此，节点设计的好坏将直接影响到整个网络的质量。本文基于无线传感器的结构和特点，自主设计了一种基于针对ZigBee协议、以CC2430芯片为核心的无线传感器网络节点的设计方案。 1 ZigBee技术 无线传感器网络中的传感器节点之间互联采用短距离的无线通信方式，现在流行的无线短距离通信技术主要有红外技术(IrDA)、蓝牙技术(Bluetooth)、无线局域网技术(Wi-Fi)等。表1列出了ZigBee技术与这些短距离无线通信技术的比较，从表中不难看出，各种通信技术都具有各自的特点，适用于不同的场合。红外技术由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制；蓝牙技术只能配置7个节点，制约了其在大型传感器网络开发中的应用；无线局域网技术发射功率比较大，大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电，从而限制了它在工业场合的推广和应用。  在比较之下，ZigBee技术具有成本更低、网络容量更大、功耗更低、时延更短等优点，故而本文选取了Zig-Bee技术为无线传感网络提供互联互通的平台。ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，它工作于无需注册的2．4 GHz ISM频段，传输速率为100～250 Kb／s，传输距离为10～75 m，典型距离为30 m。ZigBee是IEEE 802．15．4标准的扩展集，它基于标准的7层开放式系统互联(OSI)模型。网络层(NWK)和应用层(APL)的框架设计是由ZigBee联盟负责制定，IEEE则制定物理层(PHY)和介质接入控制层(MAC)标准。其中，APL的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)以及由制造商指定的应用对象。ZigBee的体系结构如图1所示。  2 无线传感器网络节点的设计与实现 2．1 节点总体设计 无线传感器网络节点通常由四个主要模块构成：传感器模块(传感器、信号调整、A／D转换器)、处理器模块(微处理器、存储器)、无线收发模块(无线网络、MAC、收发器)和能量供应模块(电源、AD-DC)。此外，还可选择其他附加的功能模块，例如定位模块、移动设备模块等。无线传感器网络节点其实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式准确地发送出去。图2描述了传感器节点的组成。  2．2 节点硬件设计 2．2．1 处理器模块和无线收发模块 CC2430芯片延用了CC24．20芯片的架构，实现了系统芯片(SoC)解决方案。它能够满足ZigBee为基础的2．4 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包括模／数转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(WatchDog Timer)、32 kHz晶振休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程I／O引脚。 CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 2．2．2 传感器模块 设计中采用了数字温湿度传感器SHT11 ，该传感器通过无线网络对监测区域内温度和湿度进行数据采集工作，具有极高的安全性、可靠性和长期稳定性。sHT11的供电电压为2．4～5．5 V，测湿精度为±3．0％RH，在温度为25℃时测温精度为±0．4℃，其封装形式采用了SMD(LCC)贴片封装，该传感器与CC2430的典型应用接口电路如图3所示。在图3中，CC2430与SHT11连接，只需要用2条I／O口线分别作为数据线DATA和时钟线SCK，并在DATA端口接入一只上拉电阻，用于将信号提拉为高电平，同时在VDD及GND端口接入一只去耦电容，通过相应的软件设计即可完成数据的采集与传输。  2．3 节点软件设计 无线传感器网络节点系统的软件设计主程序流程如图4所示。  其中调用了多个子程序模块用来处理相应的功能。初始化模块来初始化系统及ZigBee模块，使系统的工作频率保证在RF正常工作的32 MHz的晶振频率；查询模块用来查询附近通信节点的信息；通信链路模块用来建立监测区域内节点间的数据链路；数据通信模块用来接收并分析无线传感器网络节点发来的数据信息，处理后将数据信息发送出去。 3 结 语 无线传感器节点对于整个无线传感器网络的开发和应用都起着至关重要的作用，作为整个无线传感器网络的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、智能化、节能化的方向发展。本文在分析了ZigBee协议特点的基础上，设计了适应于无线传感器网络发展方向的节点，围绕此方案实现了采用sHT11温湿度传感器、SoC系统芯片CC2430的具有广泛用途的无线传感器网络节点硬件及软件的设计，经过测试其运行稳定可靠。本文为上层通信协议设计提供了基础，具有一定的研究意义。 |
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